利用2002年12月到2016年11月的大气红外探测仪(Atmospheric infrared sounder, AIRS)卫星观测资料,分析了全球 和东亚地区(70～140°E, 10～55°N)CO2浓度的时空变化和季节分布特征,并与地面观测 资料进行了对比。结果表明: 1) AIRS反演的CO2资料与地表观测资料相关系数均在0.9以上,且年均值相对误差均 在1%以内。2)全球CO2年平均浓度从2003年的375.16 ml/m3增加到2016年的401.24 ml/m3, 年平均增长率约2.01 ml/m3;同期,东亚地区CO2平均浓度从2003年的375.13 ml/m3增加 到2016年的402.22 ml/m3,年增长率约为2.08 ml/m3,高于全球的年平均增长率。 在2010～2016年,北半球大部分地区CO2浓度增长率低于2003～2009年的增长率。CO2增幅较明显 的区域位于北半球高纬度地区如中西伯利亚和格陵兰岛等地上空。3)CO2分布存在明显的区域性,高值区主要位于 北半球的中高纬度地区;低值区主要位于青藏高原上空。在南半球,CO2浓度的高值区主要位于南美洲中纬度地区; 低值区主要出现在低纬度(0～20°S, 50°W～5°E)的大西洋上空。在对流层中低层(4～6 km), AIRS反演的CO2浓度的季节变化特征准确性较高,特别在冬季,北半球大部分地区的CO2浓度随着时间 变化呈现先减小后增加的趋势。4)在东亚地区,CO2高值区位于中国北方地区,呈带状分布。

为了分析中国陆地区域深对流激发平流层重力波的特征，针对2010年7月20日发生在吉林上空的一次暴雨事件，利用Aqua卫星高光谱大气红外探测器（Atmospheric Infrared Sounder, AIRS）的观测数据并结合ERA-interim高空背景场数据和S变换小波分析方法，分析了与暴雨相伴的深对流激发平流层重力波的传播特征，进一步讨论了重力波上传过程对暴雨发展的可能影响。

为提高红外卫星资料的利用率，需将更多的资料同化进入数值预报模式初始场，尽量减小云污染的影响。针对大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)卫星资料，用云检测方法识别了云顶高度。在验证该方法的有效性之后，在大范围卫星视场的含云区域中保留所有云顶以上的通道，并将这些通道的亮温数据同化进入数值预报模式初始场，通过对比分析不同方案下台风的模拟路径来评估云检测方法对台风数值模拟的影响。结果表明，该云检测方法的效果较好，检测出的晴空区及云区的分布与实际观测对应，检测得到的高云顶区域与台风云系的对应性较好。将云顶以上的通道亮温加以利用后，红外卫星资料的利用率得到很大提高，数据是原数据量的2.4倍。在台风路径模拟方面，同化云层以上的通道数据后，数据量的增加使路径模拟变得更精确了，与观测值明显接近。

结合经典变分同化和正则化约束两者的优点, 对多正则化参数约束变分同化方法进行了研究。与经典变分同化中背景和观测项对目标泛函等权重不同, 正则化约束对观测项权重进行调节, 并在正则化参数优化时基于Huber—估计法给定权重函数。高光谱大气红外探测器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)水汽通道模拟亮温试验表明, 本文的变分法同化AIRS亮温资料比经典变分同化法的效果更好。基于信号自由度诊断了观测资料对分析场的影响, 结果表明本文的方法能够有效挖掘水汽通道的亮温信息。

云污染会严重影响云区辐射的模拟，导致大量云区卫星资料被废弃。结 合快速辐射传输模式(Community Radiative Transfer Model, CRTM)的应用现状以及 红外遥感原理，对CRTM模式中的辐射传输模块进行了修改，并提出了能够模拟云 区红外辐射的CRTM云模式。利用CRTM云模式模拟了高光谱大气红外探测 器(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)的通道亮温，并针对云模式中新增的参数进行了 敏感性分析。结果表明，随着通道高度的下移，对卫星接收辐射贡献较大的大气层也在下移，偏 差大值区所处的高度也越来越低；在偏差大值区中，偏差值会随着云量的增加而增大，直到全云覆盖时，偏 差值最大；云量较大时，输入的温度廓线的垂直变化会引起云顶发射辐射产生相同的垂 直分布，这与用CRTM云模式模拟出的亮温随云顶高度抬升而出现的垂直变化一致；用CRTM云模 式模拟的亮温值对新增的云量和云顶高度参数的敏感性较强，符合大气红外辐射传输的规律。

由于云污染对大气红外遥感的严重干扰，大量红外资料遭到了舍弃。为 了充分同化红外资料，提高初始场精度和改善数值预报效果，利用通用辐射传输模式(Community Radiative Transfer Model, CRTM) 模拟了大气红外探测仪(Atmospheric Infrared Sounder, AIRS)的通道亮温，并分析了云类型、云层含水量、云厚度和云顶高度等云参数对AIRS亮温的 影响。结果表明：(1)由于云层对红外辐射的截断作用，只有高于云顶的大气才会对辐射亮温产 生影响；(2)随着云层积分含水量的增加，亮温逐渐减小，但其减速放缓，直至不变；有效半径较 大的粒子对辐射的散射作用较强，相应亮温较小；(3)若云顶高度固定不变，云厚度的变化 则不会对亮温产生影响；若云底高度固定不变，云层越厚，相应的亮温越小；(4)地面通道亮温 对云顶高度的变化比较敏感，云顶以上通道的亮温不受云顶高度变化的影响。

建立新的物理反演法能同时反演大气温度廓线、水汽廓线、表层温度和地表发射率,该反演算法应用到我国黄海地区AIRS红外卫星资料中,可反演得到较高垂 直分辨率的大气温度廓线和水汽廓线,同时反演得到表层温度和地表发射率、根据水汽廓线计算大气可降水量。

N2O是一种非常重要的温室气体和臭氧损耗物。 由于观测资料有限, 对于N2O在这两方面所发挥的作用定量描述还存在很多的不确定性。 利用热红外卫星数据AIRS可以反演监测甲烷和二氧化碳气体, 但对氧化亚氮的反演还很少见到。 因此该工作首次在国内针对高光谱红外卫星资料AIRS, 开展利用最优估计法反演大气N2O廓线的模拟研究。 讨论了先验廓线的获取方法及反演通道的选取方法, 并将反演结果和HIPPO飞机观测数据进行比较, 发现AIRS观测数据可以很好的捕获N2O的垂直分布, 在300～900 hPa, 与HIPPO数据趋势一致, 且反演精度较高, 相对误差仅为0.1%, 与所选取反演通道的jacobian峰值区间一致。 反演结果相比于特征向量统计法也有显著提高。

基于大气红外探测器L1B红外高光谱辐射观测资料,结合中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)云产品数据,利用通用大气辐射传输模式(combined atmospheric radiative transfer model,CART),根据模式模拟和AIRS实际观测亮温的亮温差,研究从AIRS红外波段1 070～1 135 cm-1高光谱数据反演卷云的光学厚度和云顶高度.将反演的卷云光学厚度与云顶高度作为输入参数模拟计算650～1 150 cm-1波段卷云大气顶的辐射亮温谱,并将模拟值与AIRS观测亮温谱进行了对比分析.将反演的卷云光学厚度和云顶高度和AIRS的760通道(900.56 cm-1,11.1 μm)的亮温以及MODIS卷云反射率进行了对比分析.最后将反演的卷云云顶高度和MODIS云顶高度进行了对比分析.研究结果表明:反演所使用的650～1 150 cm-1波段模式模拟和观测亮温谱吻合得很好,说明CART可以较好的模拟AIRS亮温谱.反演的卷云参数与AIRS在大气窗口区的760通道(900.56 cm-1,11.1 μm)的亮温的分布满足低亮温对应较大的卷云光学厚度和高云顶高度.反演的卷云参数和MODIS卷云的反射率分布满足高卷云光学厚度和云顶高度对应高卷云反射率.反演的卷云云顶高度和MODIS的卷云云顶高度之间线性相关系数相对较高,且都在8.5～11.5 km的概率较高,两者的概率分布趋势一致.说明CART可以用于反演卷云的性质,反演结果具有一定的可靠性。

将福卫三号星系计划(COSMIC)气象、电离层及气候卫星探测系统、大气红外探测器(AIRS)反演的大气温度和湿度廓线与时间、空间匹配的欧洲中心中期天气预报(ECMWF)、美国环境预报中心(NCEP)分析值和无线电探空观测值进行比较, 结果表明, COSMIC具有垂直分辨率高、全天候的观测特点, 反演的大气温度和湿度廓线相对于AIRS而言与无线电探空观测值更接近, 能提供大气廓线的更精细结构, 但受掩星事件发生时所能探测最低高度的限制, 不能得到该高度以下的大气信息。AIRS在晴空时大气温湿廓线反演精度较高, 但受云天的限制, 在云层以下, 反演精度就大大降低。